CN113840753A - 电动车辆 - Google Patents

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CN113840753A
CN113840753A CN202080037250.6A CN202080037250A CN113840753A CN 113840753 A CN113840753 A CN 113840753A CN 202080037250 A CN202080037250 A CN 202080037250A CN 113840753 A CN113840753 A CN 113840753A
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CN
China
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power
voltage
output
conversion device
power conversion
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CN202080037250.6A
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门田充弘
荒井雅嗣
北口笃
福田直纪
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Abstract

本发明的课题为，获得能够实现节能化且能够实现转换元件的发热降低的电动车辆。本发明的电动车辆具有：发动机(11)；由发动机驱动的第一发电机(12)；与第一发电机的输出连接的第一整流电路(14)；第一整流电路的直流输出所输入的第一直流线路(16)；与第一直流线路连接的行驶电机(10)；对第一直流线路的电压进行转换的电力转换装置(20)；由电力转换装置转换电压后的直流输出所输入的第二直流线路(34)；与第二直流线路连接的辅机装置(33)；和控制电力转换装置的控制装置(40)。控制装置在第一直流线路的电压(Vi)为第一阈值(Vc)以下时将电力转换装置的输出电力(Po)控制为额定电力(Pl)，并在大于第一阈值时进行小于额定电力的控制。

Description

电动车辆
技术领域
本发明涉及电动车辆。
背景技术
以化石燃料的枯竭和地球环境问题的恶化为背景，混合动力车和电动力车等电动车辆正在普及。对于矿山现场中的搬运用翻斗卡车和轮式装载机那样的大型作业车辆，有时也使用电力驱动系统，存在利用由发动机驱动的发电机的发电电力来驱动行驶电机的方式的车辆。
对于使用电力驱动系统的大型作业车辆，认为通过搭载当减速(制动)时将行驶电机所生成的再生电力向辅机和蓄电设备供给的系统，能够实现节能化和燃料消耗量降低。以下将这样的系统表述为再生制动系统。对于再生制动系统，需要对行驶电机用逆变器所连接的直流线路(以下表述为主机直流线路)的电压进行转换并将其向辅机所连接的直流线路(以下表述为辅机直流线路)输出的DC/DC转换器。以下，将其表述为电力转换装置。
在专利文献1中，以混合动力车和电动力车的电力驱动系统为对象，记载了将其主机系统和辅机系统连接的DC/DC转换器的构成。上述再生制动系统以及电力转换装置可以应用于大型作业车辆。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-74913号公报
发明内容
对于翻斗卡车那样的大型电动车辆，因运转状态会导致主机直流线路的电压大幅变动。因此，电力转换装置(DC/DC转换器)需要应对输入电压的变动。作为应对输入电压的变动的情况的课题而具有：输入电压越大则构成电力转换装置的转换元件的损失以及伴随该情况产生的发热也会变大。
本发明是鉴于上述点而做出的，其目的在于，提供能够实现电动车辆的节能化且能够实现转换元件的发热降低的电动车辆。
根据本发明的一个方式，电动车辆具有：发动机；由该发动机驱动的第一发电机；与该第一发电机的输出连接的第一整流电路；该第一整流电路的直流输出所输入的第一直流线路；与该第一直流线路连接的行驶电机；对所述第一直流线路的电压进行转换的电力转换装置；由该电力转换装置转换电压后的直流输出所输入的第二直流线路；与该第二直流线路连接的辅机装置；和控制所述电力转换装置的控制装置，所述电动车辆的特征在于，所述控制装置在所述第一直流线路的电压为第一阈值以下时将所述电力转换装置的输出电力控制为预先设定的额定电力，并在所述第一直流线路的电压大于所述第一阈值时进行使所述电力转换装置的输出电力小于所述额定电力的控制。
发明效果
根据本发明，能够实现电动车辆的节能化，并且能够实现转换元件的发热降低。关于本发明的其他特征能够根据本说明书的记述、添加附图而明确。另外，上述以外的课题、构成以及效果根据以下的实施方式的说明而明确。
附图说明
图1是实施例1以及2中的电动车辆的电力驱动系统的硬件构成图。
图2是表示电力转换装置的构成例的图。
图3是说明电力转换装置的基本动作和以往的问题点的动作波形的图。
图4是表示实施例1中的控制装置的框图中的与电力转换装置的控制相关的部分的图。
图5是本发明中的电力转换装置的动作波形的图。
图6是实施例1中的时序图。
图7是用于定义实施例1以及2中的设备电力的图。
图8是实施例1中的时序图的其他例。
图9是表示实施例2中的控制装置的框图中的与电力转换装置的控制相关的部分的图。
图10是实施例3中的电动车辆的电力驱动系统的硬件构成图。
图11是表示实施例3中的控制装置的框图中的与充放电装置的控制相关的部分的图。
图12是实施例3中的时序图。
图13是用于定义实施例3中的设备电力的图。
图14是翻斗卡车的构成图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的电动车辆的实施方式。此外，在各图中，针对同一要素标注同一附图标记，并省略重复说明。本发明并非限定于以下的实施例，在本发明的技术概念内各种变形例和应用例也包含于本发明的范围。
(实施例1)
(电力驱动系统的硬件构成)
使用图1来说明电力驱动系统的硬件构成。图1的构成在本发明的实施例1和实施例2中使用。
电力驱动系统用在例如大型的翻斗卡车和轮式装载机等的电动作业车辆。电力驱动系统具有：由发动机11驱动的主机发电机(第一发电机)12以及辅机发电机(第二发电机)31；使用由主机发电机12发电的电力来驱动的行驶电机10；将车辆制动时的行驶电机10的再生电力的电压转换为更低的电压的电力转换装置20；和通过接受由辅机发电机31发电的电力和由电力转换装置20转换电压后的电力的至少一方的供给而驱动的辅机装置33。
主机发电机(第一发电机)12和辅机发电机(第二发电机)31与发动机11连接，由发动机11驱动。主机发电机12的输出是交流电力，向主机整流电路(第一整流电路)14输入。主机整流电路14中，将输入的交流电力整流为直流电力。主机整流电路14的直流输出向主机直流线路(第一直流线路)16输入。主机直流电压Vi(第一直流电压)是在主机直流线路16内产生的直流电压，由电压检测器17检测。行驶电机用逆变器(第一逆变器)13的直流输入向主机直流线路16输出。
逆变器13的交流输出向行驶电机10输入。行驶电机10驱动未图示的电动车辆的车轮，使电动车辆前进或者后退。在主机直流线路16上，除了主机整流电路14和逆变器13还连接有电力消耗装置15和电压检测器17。电力消耗装置15具有在由转换元件和二极管构成的斩波器上连接有电阻的构成，将行驶电机10的再生能量转换为热量并与大气进行热交换。
在图1中，作为逆变器13以及电力消耗装置15的转换元件(以下有时简称为元件。)而设想了IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，表示为电路符号IGBT。转换元件不限于IGBT，只要是被称为电力用半导体元件或电力半导体的元件即可，也可以利用MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)、双极型晶体管、晶体闸流管等其他类型的元件。另外，作为主机整流电路14，也可以利用使用转换元件的AC/DC转换器。在图1中省略，但在主机直流线路16上也可以连接有平滑电容器及其放电电阻、电涌保护器等的保护设备。
辅机发电机31的输出是交流电力，向辅机整流电路(第二整流电路)32输入。在辅机整流电路32中，将输入的交流电力整流为直流电力。辅机整流电路32的直流输出向辅机直流线路(第二直流线路)34输入。辅机直流电压Vo(第二直流电压)是在辅机直流线路34中产生的直流电压，由电压检测器35检测。在辅机直流线路34上连接有辅机装置33。辅机装置33构成电力驱动系统的电装负载。
作为辅机装置33的例子，能够举出空调用的逆变器以及压缩机电机系统、设备冷却用的逆变器以及鼓风机电机系统等。在图1中，将这些汇总为一个等效阻抗，记载为辅机装置33。辅机装置33的消耗电力能够如后述那样地由控制装置控制。在辅机直流线路34上，除了辅机整流电路32和辅机装置33之外还连接有电压检测器35和电流检测器36。随后说明电流检测器36的功能。在图1中省略，但在辅机直流线路34上也可以连接有平滑电容器及其放电电阻、电涌保护器等的保护设备。
电力转换装置20由DC/DC转换器构成，如后述那样地将主机直流电压Vi转换为辅机直流电压Vo。电力转换装置20中，电力转换装置20的输入部与主机直流线路16连接，电力转换装置20的输出部与辅机直流线路34连接。上述的电流检测器36检测电力转换装置20的输出电流Io。温度检测器27检测电力转换装置20的温度To。该温度To也可以是电力转换装置20的周围温度，也可以是电力转换装置所具备的特定部件的温度。因此，温度检测器27也可以搭载于电力转换装置20周围，也可以内置于电力转换装置20。然而，在实施例1中，没有利用由温度检测器27获得的温度检测值，而是在后述的实施例2中进行利用。电力驱动系统也可以为了逆变器13等其他设备用而具有温度检测器。
控制装置40从电压检测器17获取主机直流电压Vi的信息，从电压检测器35获取辅机直流电压Vo的信息，从电流检测器36获取输出电流Io的信息，从温度检测器27获取To的信息。另外，虽然在图1中省略，但控制装置40也可以获取逆变器13的交流输出电流、行驶电机10的旋转速度，电动车辆的车身速度等其他信息。控制装置40基于这些检测结果的信息以及操作员的操作输入而向上述的各设备输出控制信号，来控制电力驱动系统内的能量流动。
在图1中表示从控制装置40向发动机11、主机发电机12、逆变器13、电力消耗装置15、电力转换装置20、辅机发电机31以及辅机装置33发出的控制信号。在此，对于主机发电机12和辅机发电机31，认为分别内置有励磁装置等执行机构。也就是说认为：若从控制装置40作为控制信号而输出电压指令值，则这些发电机12、31的输出电压会按照电压指令值而得到控制。在图1中由一根箭头表示从控制装置40向电力转换装置20发出的控制信号。但是，在电力转换装置20具有多个元件的情况下，控制信号也可以为多个。
(电力驱动系统的能量流动和再生制动系统)
首先，说明加速时的电力驱动系统的能量流动。若通过发动机11驱动主机发电机12，则主机发电机12所输出的交流电压通过主机整流电路14转换为主机直流电压Vi，向逆变器13输入。若操作员踏入加速踏板，则从逆变器13向行驶电机10供给交流电力，行驶电机10驱动车轮使车身加速。在该情况下，主机直流电压Vi由主机发电机12控制。
接着说明制动时的能量流动。当操作员踏入制动踏板时，行驶电机10将车身的动能转换为电能，经由逆变器13向主机直流线路16输出再生电力。也就是说，行驶电机10作为发电机工作。电力消耗装置15将再生电力转换为热能，防止主机直流电压Vi过大。因此，该情况的主机直流电压Vi由电力消耗装置15控制。
电力转换装置20将主机直流电压Vi转换为辅机直流电压Vo，并将再生电力的一部分向辅机装置33供给。由电力消耗装置15和辅机装置33消耗再生电力，由此车身减速。也可以并用未图示的机械式制动器。
说明辅机系统的能量流动。若由发动机11驱动辅机发电机31，则辅机发电机31所输出的交流电压由辅机整流电路32转换为辅机直流电压Vo，向辅机装置33输入。因此，辅机直流电压Vo由辅机发电机31控制。当制动时，由于电力转换装置20向辅机装置33供电，所以与该情况相应地，辅机发电机31、进而发动机11的负载会降低。通过这样的动作，能够由辅机有效利用制动时产生的再生电力，与该情况相应地能够实现电动车辆的节能化、燃料消耗量降低。这就是本实施方式的再生制动系统。
(电力转换装置的输入电压变动)
上述那样地，当加速时主机发电机12控制主机直流电压Vi，当制动时电力消耗装置15控制主机直流电压Vi。在此，对于如翻斗卡车那样地重量大的电动车辆，电力驱动系统的各设备为大容量化以及高电压化。在行驶电机10的旋转速度高的情况下，逆变器13应该向行驶电机10供给的交流电压的振幅变大，需要将主机直流电压Vi设为kV级别的高压。另外，即使在由操作员进行的加速踏板的踏入量大，行驶电机10的扭矩大的情况下，也需要将主机直流电压Vi设为高压来抑制主机直流线路16的电流。
另一方面，当启动时那样地行驶电机10停止或者低速旋转的情况下，逆变器13不需要向行驶电机10供给高电压。因此，在这样的情况下，降低主机直流电压Vi，降低逆变器13的损失。根据以上的理由，主机直流电压Vi与电动车辆的速度和加速踏板的踏入量相应地在大幅范围内变动。由于主机直流电压Vi也是电力转换装置20的输入电压，所以电力转换装置20需要应对输入电压的变动。此外，以下将主机直流电压Vi的变动范围定义为V1～V2。
(电力转换装置的构成例)
图2是电力转换装置20的构成例。电力转换装置20的输入端子与逆变器21(第二逆变器)和电容器22连接。在图2中，作为逆变器21的回路方式而表示了具有四个元件(M1～M4)的全桥逆变器回路，但也可以为其他回路方式。逆变器21的交流输出端子与变压器23的一次绕组连接。变压器23的二次绕组与整流电路24(第三整流电路)的交流输入端子连接。在图2中，作为整流电路24的回路方式而表示了由四个二极管(D1～D4)构成的全桥整流电路，但也可以为其他回路方式。整流电路24的直流输出端子经由通过扼流线圈25和电容器26组成的过滤电路而与电力转换装置20的输出端子连接。
逆变器21将向电力转换装置20输入的主机直流电压Vi转换为交流电压Vtr，并向变压器23的一次绕组施加。此时，将向变压器23的一次绕组流动的交流电流定义为一次绕组电流Itr。变压器23使电力转换装置20的输入输出之间绝缘，同时将向一次绕组施加的电压变压而在二次绕组产生交流电压。该交流电压由整流电路24转换为直流电压，经由过滤电路从电力转换装置20输出。
在图2中，将元件M1～M4设为MOSFET，但只要是被称为的电力用半导体元件或电力半导体的元件，则也可以利用IGBT等其他类型的元件。电力转换装置20在以上要素的基础上，还可以具有截断器和继电器等控制部件、熔断器和电涌保护器等保护部件、噪声滤波器。
(以往的再生制动系统中的电力转换装置的动作波形和由电压变动导致的问题)
图3是以往的再生制动系统中的电力转换装置20的动作波形。使用图3来说明电力转换装置20的基本动作以及主机直流电压Vi变动的情况下的具体问题。电力转换装置20通过元件M1～M4的开关动作来进行电力转换，在图3中表示两个开关周期的动作波形。作为图3的纵轴项目，而表示了元件M1～M4的驱动信号(开或关信号)、变压器23的一次绕组电压Vtr、变压器23的一次绕组电流Itr以及电力转换装置20的输出电流Io。
设想了在图3的(a)中主机直流电压Vi为最小值V1且在图3的(b)中主机直流电压Vi为最大值V2的情况。另外，设想了在图3的(a)和(b)的双方中电力转换装置20的输出电力Po控制为额定值(额定电力)P1。辅机直流电压Vo通过辅机发电机31不依赖主机直流电压Vi地控制为固定。因此，在图3的(a)和(b)中，输出电流Io相等，将其值设为I1(＝P1/Vo)。
在图3中，作为逆变器21(全桥逆变器回路)的具体控制方式而设想了使用相位偏移控制。在相位偏移控制中，能够将M1～M4的接通设为软开关，将接通损失几乎设为零。相位偏移控制是公知技术，由此省略动作模式和电流路径等的详细说明，以动作的概要和主机直流电压Vi的变动所波及的影响而中心来说明。
如图3所示，图2左侧的元件M1和M2间隔着死区时间td而相辅相成地开或关控制。图2右侧的元件M3和M4也是同样的。根据图3的(b)可知，逆变器21使元件M4的开关与元件M1相比仅延迟偏移量θ，同样地，使元件M3的开关与元件M2相比仅延迟偏移量θ。逆变器21通过使偏移量θ为可变来控制电力转换装置20的输出。只要电力转换装置20的输出处于相同条件，则主机直流电压Vi越大，偏移量θ也变得越大。在图3的(a)那样地主机直流电压Vi为最小的条件下，希望以使偏移量θ几乎成为零的方式设计变压器23的匝数比。此时，元件M1和M4、元件M2和M3分别几乎同时开关。
变压器23的一次绕组电压Vtr为矩形脉冲电压，其振幅与主机直流电压Vi几乎相等。根据图3的(b)可知，通过相位偏移动作(θ的生成)而产生了一次绕组电压Vtr为零的期间。在该期间内，没有从变压器23的一次侧向二次侧传送电力。由于主机直流电压Vi变得越大则偏移量θ增大，所以一次绕组电压Vtr的振幅会增大，但另一方面，在一次绕组电压Vtr为零的期间内也会增大。
一次绕组电流Itr也是向逆变器21流动的电流。一次绕组电流Itr的振幅主要是由输出电流Io和变压器23的匝数比所决定的，几乎不依存于主机直流电压Vi。在图3的(a)、(b)中表示了元件M1的切断电流Ioff1、Ioff2，但切断电流Ioff1、Ioff2也几乎不依存于主机直流电压Vi。
另一方面，在图3的(a)所示的情况下，对于元件M1施加了与主机直流电压Vi几乎相同的电压直至元件M1切断的紧前。因此，主机直流电压Vi变得越大，则元件M1的切断损失以及由此造成的元件M1的发热也变大。关于其他的元件M2～M4也是同样的。这样地，在以往的再生制动系统中，作为主机直流电压Vi变动的情况下的具体问题点而为如下：主机直流电压Vi变得越大，则电力转换装置20中的元件的发热也变大。此外，即使在作为电力转换装置20的回路方式和控制方式使用了与上述不同的方式的情况下，也会发生主机直流电压Vi大的条件下的元件发热的问题。
(控制装置的框图)
本实施方式的再生制动系统为了解决上述问题，在主机直流电压Vi大于规定阈值(第一阈值)时，与主机直流电压Vi为规定阈值以下时相比使电力转换装置20的输出电力Po降低。如上述那样地，图1的控制装置40控制同图所示的电力驱动系统的各设备。图4是表示其中控制电力转换装置20的部分的框图。控制装置40具有输出电力表41、输出电力运算部42以及控制运算部43。
输出电力表41按照所输入的主机直流电压Vi来参照该表，并将输出电力的指令值Poref输出。将规定阈值设为Vc(V1≤Vc≤V2)，在主机直流电压Vi为阈值Vc以下(Vi≤Vc)的情况下，将输出电力指令值Poref设为额定输出电力P1。并且，在主机直流电压Vi大于阈值Vc(Vi＞Vc)的情况下，使输出电力指令值Poref小于额定值P1。
此时，只要输出电力指令值Poref小于额定值P1(Poref＜P1)，则主机直流电压Vi与输出电力指令值Poref的具体关系为任意。在图4的(a)中，作为其一例，将输出电力指令值Poref设为主机直流电压Vi的一次函数，将主机直流电压Vi为最大值V2的情况下的输出电力指令值Poref设为下限值P2。此外，以下，将主机直流电压Vi大于阈值Vc且输出电力指令值Poref小于额定值P1的区域，即Vi＞Vc且Poref＜P1的区域定义为输出降低区域。
在图4的(a)中，作为主机直流电压Vi与输出电力指令值Poref的关系而表示了设为如下一次函数关系的情况，该一次函数关系为，与主机直流电压Vi大于阈值Vc相应地使输出电力指令值Poref从额定值P1以固定比例变小。但是，在主机直流电压Vi大于阈值Vc的(Vi＞Vc)情况下的主机直流电压Vi与输出电力指令值Poref的关系并不限定于图4的(a)所示的一次函数关系，只要具有在主机直流电压Vi大于阈值Vc(Vi＞Vc)的情况下输出电力指令值Poref小于额定值P1(Poref＜P1)的关系即可。
输出电力运算部42根据辅机直流电压Vo和电力转换装置20的输出电流Io来运算输出电力Po(＝VoIo)。控制运算部43基于输出电力Po和输出电力指令值Poref来生成对于电力转换装置20的控制信号。在图4的(a)中，作为控制信号而表示了元件M1～M4的驱动信号。另外，设想上述的相位偏移控制，作为控制运算部43的内部构成而表示了偏移量运算部44和驱动信号生成部45。即，在本实施方式中，控制运算部43具有偏移量运算部44和驱动信号生成部45。
偏移量运算部44使用比例及积分控制(PI控制)等控制运算来运算偏移量θ。在此进行如下运算：在输出电力Po小于输出电力指令值Poref(Po＜Poref)的情况下，使偏移量θ减少，在输出电力Po为输出电力指令值Poref以上(Po≥Poref)的情况下，使偏移量θ增大。偏移量运算部44以将输出电力Po保持为固定的方式运算偏移量θ。例如即使偏移量θ与通过电动车辆的制动导致主机直流电压Vi增大相应地增大，输出电力Po也保持为固定。驱动信号生成部45从偏移量θ生成元件M1～M4的驱动信号。此外，在本实施方式中，为了使基于控制运算部43实现的输出电力Po的控制应答足够高，而考虑使输出电力Po与输出电力指令值Poref一致。
对于控制运算部43的驱动信号生成部45，输入有为了控制电力转换装置20的动作或者停止的使能信号(图4的(a)的Enable)。使能信号是在控制装置40的内部生成的数字信号，其逻辑电平表示电力转换装置20的动作或者停止。通过该构成，在加速时使电力转换装置20停止，也就是说，能够以使元件M1～M4全部成为关的方式生成驱动信号。
(基于本实施方式的电力转换装置的动作波形)
图5是本实施方式中的电力转换装置20的动作波形。省略说明与图3共通的点。在图5的(a)所示的例中，主机直流电压Vi为比阈值Vc小的最小值V1，电力转换装置20的输出电力Po控制为额定值P1。另一方面，在图5的(b)所示的例中，主机直流电压Vi为比阈值Vc大的值V2，通过图4所说明的构成，输出电力Po控制为作为比额定值P1小的值的下限值P2。此外，在图5的(a)和图3的(a)中，相同的主机直流电压Vi以及输出电力Po为条件，由此在这些图中动作波形也相同。在图5的(b)中与图5的(a)相比，条件为输出电力Po小，由此电力转换装置20的输出电流Io也与其呈比例地变小。在图5的(b)中，将输出电流Io的值设为I2(＝P2/Vo＜I1)。
如通过图3的说明所述那样，变压器23的一次绕组电流Itr的振幅以及元件M1的切断电流Ioff1、Ioff2是由输出电流Io决定的。在图5的(b)中与图5的(a)相比输出电流Io小，由此一次绕组电流Itr的振幅和切断电流Ioff2也变小(Ioff1＞Ioff2)。在对图3的(b)和图5的(b)进行比较的情况下，图5的(b)中，输出电流Io、Itr振幅以及切断电流Ioff2也分别变小。根据以上说明，通过图4所说明的将输出电力Po降低的控制，能够降低主机直流电压Vi大的条件下的元件的切断损失以及随之发生的发热。另外，输出电力Po的、也就是说输出电流Io的降低量越大，则电力转换装置20的发热的降低效果也变大。
(动作时序图)
图6是表示主机直流电压Vi变动的情况下的各设备的电力变化的时序图。具体地，表示电力转换装置20的输出电力Po、辅机发电机31的输出电力Pg以及辅机装置33的消耗电力Pa。图7是从图1中仅提取与图6关联的设备而由箭头定义各电力的图。图7表示电动车辆制动时的电力的流动，是电力转换装置20能够输出的电力。另外，如图6所示，辅机装置33的消耗电力Pa是固定的，设为比输出电力Po大。在图7中，忽略辅机整流电路32的损失，将从辅机整流电路32向辅机直流线路34输出的电力设为辅机输出电力Pg。根据图7，若成立Pa＝Po+Pg的关系而电力实现平衡，则辅机直流电压Vo不会变化，稳定地向辅机装置33馈电。
关注主机直流电压Vi从最小值V1向最大值V2逐渐增大的期间。控制装置40在主机直流电压Vi为阈值Vc以下(Vi≤Vc)的情况下，将输出电力Po控制为额定值P1。因为辅机装置33的消耗电力Pa大于输出电力Po(Pa＞Po(＝P1))，所以辅机发电机31通过输出该差量来维持Pa＝Po+Pg的关系，将辅机直流电压Vo控制为固定。也就是说，成为Pg＝Pa－Po＝Pa－P1。
若主机直流电压Vi变得比阈值Vc大(Vi＞Vc)，则按照图4的输出电力表41与主机直流电压Vi变大相应地降低输出电力指令值Poref而使其小于额定值P1，由此如图6所示地输出电力Po也逐渐减少。辅机发电机31为了将辅机直流电压Vo控制为固定，使辅机输出电力Pg逐渐增大。控制装置40当电力转换装置20的输出电力Po小于额定值P1时，控制辅机发电机31，进行使辅机发电机31的辅机输出电力Pg仅以电力转换装置20的输出电力Po变小的量而增大的控制。
如图6所示，当电力转换装置20将输出电力Po从额定值P1仅降低ΔP时，辅机发电机31的电力仅增大ΔP，由此向辅机装置33供给的电力Pa保持为固定。当主机直流电压Vi达到最大值V2后，输出电力Po控制为比额定值P1小的值的下限值P2。另外，成为Pg＝Pa－P2。关于主机直流电压Vi从最大值V2向最小值V1逐渐减少的期间，各电力以相同要领变化。省略详细说明。
(效果)
以上，在实施例1中，通过电力转换装置20以及使用该装置的再生制动系统而实现了电动车辆的节能化，并且应对电力转换装置20的输入电压变动，尤其能够降低输入电压大的情况下的转换元件的发热。该情况对于元件的长寿命化、长期信赖性的提高是有效的。或者，能够在元件的温度限制的范围内，使冷却系统小型化以及低成本化。在本实施例1中，作为元件的发热要因而关注切断损失。若能够降低切断损失和随之产生的发热，则能够提高元件的开关频率。由此，能够使电力转换装置20中的变压器23、扼流线圈25、电容器26小型化以及低成本化。
(补充)
说明实施例1的补充事项和其他例。图8是时序图的其他例，是进行辅机装置33的消耗电力控制的情况下的时序图。省略说明与图6共通的点。如图1所示，控制装置40能够控制辅机装置33的消耗电力Pa。控制装置40在电力转换装置20的输出电力Po小于额定值P1时，使辅机装置33的消耗电力Pa以电力转换装置20的输出电力Po变小的量而缩小。即，控制装置40在将电力转换装置20的输出电力Po仅降低ΔP时，针对消耗电力Pa也仅降低ΔP。由此，辅机发电机31无需增大辅机输出电力Pg，能够将辅机直流电压Vo控制为固定。考虑到当降低消耗电力Pa时，将如空调那样地不会对车辆的行驶影响很大的辅机的消耗电力降低。
对图4的(a)所示的输出电力表41进行补充。在不依赖主机直流电压Vi的值而将输出电力Po控制为额定值P1的情况下，随着主机直流电压Vi变大，则元件的切断损失以及随之产生的发热也变大。因此，如图4的(a)的输出电力表41所示，在主机直流电压Vi大于阈值Vc的输出降低区域中，主机直流电压Vi越大，使输出电力Po越小，增大发热降低效果的构成是有效的。在主机直流电压Vi比阈值Vc稍微大的状况下，由于缩小输出电力Po的降低量ΔP，所以能够提高基于再生制动系统的节能效果。在图4的(a)的输出电力表41中，在输出降低区域内，输出电力Po为主机直流电压Vi的一次函数，但也可以为，在该区域内，输出电力Po与主机直流电压Vi成反比例。作为元件的发热要因，切断损失具有支配性，在发热与主机直流电压Vi成比例的情况下，能够在输出降低区域内将元件的发热设为几乎固定。
例如，图4的(b)至(d)分别表示主机直流电压Vi大于阈值Vc(Vi＞Vc)的情况下的主机直流电压Vi与输出电力指令值Poref的关系的其他例。图4的(b)表示设为双曲线函数的关系(Poref＝k/Vi，k＝P1Vc)的情况，即，与主机直流电压Vi大于阈值Vc相应地输出电力指令值Poref成反比例，从额定值P1减少。图4的(c)表示与主机直流电压Vi大于阈值Vc相应地输出电力指令值Poref降低的比例以二次曲线增加的情况。并且，图4的(d)表示当主机直流电压Vi大于阈值Vc时使输出电力指令值Poref从额定输出电力P1向较小值以阶梯状变化的情况。
(实施例2)
(控制装置的框图)
在本发明的实施例2中，与实施例1同样地，利用图1所示的电力驱动系统。然而，在实施例2中，与实施例1相比控制装置40的内部构成(框图)不同。另外，在实施例2中，将由温度检测器27检测到的电力转换装置20的温度To利用于电力转换装置20的输出电力Po的控制。图9是实施例2中的控制装置40中的控制电力转换装置20的部分的框图。由于输出电力运算部42、控制运算部43与图4的(实施例1)相同，所以省略说明。
实施例2的控制装置40具有输出电力表46。输出电力表46与图4的(a)(实施例1)的输出电力表41同样地，基于主机直流电压Vi而生成电力转换装置20的输出电力指令值Poref。输出电力表41作为两个内部参数而利用阈值Vc(与主机直流电压Vi相关的阈值)和下限值P2(主机直流电压Vi为最大值V2的条件下的输出电力指令值Poref)。在图9(实施例2)的输出电力表46中，替代阈值Vc而利用阈值Vc’(第一阈值)，替代下限值P2而利用下限值P2’。这些参数如后述那样地根据电力转换装置20的温度To而分别变化。
实施例2的控制装置40具有基于电力转换装置20的温度To生成阈值Vc’的阈值表47以及基于温度To生成下限值P2’的输出下限值表48。阈值表47根据温度To变高而使阈值Vc’变小。输出下限值表48根据温度To变高而使下限值P2’变小。当相同的主机直流电压Vi的条件且主机直流电压Vi大于阈值Vc’(Vi＞Vc’)时，温度To越高则输出电力指令值Poref越小。温度To越高，在由实施例1说明的元件的发热降低的效果越大。换言之，在温度To低，对元件的温度具有余裕的情况下，能够缩小输出电力Po的降低量，提高基于再生制动系统的节能效果。
此外，也可以构成为，不使用阈值表47和输出下限值表48的任何一方。例如在构成为不使用输出下限值表48的情况下，在输出降低区域内将输出电力Po设为主机直流电压Vi的一次函数，而且使其倾斜不依赖温度To而为固定。此时，不使用输出下限值表48且主机直流电压Vi为最大值V2的条件下的输出电力指令值Poref随着温度To变高而缩小。在输出降低区域内使输出电力Po与主机直流电压Vi为反比例的情况也是同样。
(实施例3)
(电力驱动系统的硬件构成)
使用图10来说明实施例3中的电力驱动系统的硬件构成。省略说明与图1(实施例1或者2)共通的点。
图10(实施例3)的电力驱动系统具有与辅机直流线路34连接的蓄电设备51和其充放电装置52。另外，具有用于检测蓄电设备51的电压Vb(第三直流电压)的电压检测器53、用于检测蓄电设备51的充放电电流Ib的电流检测器54。蓄电设备51经由电流检测器54与充放电装置52的输入连接。充放电装置52的输出与辅机直流线路34连接。蓄电设备51和其充放电装置52构成了电力驱动系统的电装负载。
作为蓄电设备51的例子，具有镍氢蓄电池和锂离子蓄电池等蓄电池或者电双层电容器和锂离子电容器等电容器。充放电装置52是能够双方向工作的DC/DC转换器，通过从输出侧向输入侧传送电力，对蓄电设备51进行充电，并通过从输入侧向输出侧传送电力，能够使蓄电设备51放电。作为充放电装置52的回路方式而具有双方向斩波器，但也可以为其他方式。
图10中，作为充放电装置52的转换元件而设想IGBT，表示为电路符号IGBT，但也可以利用MOSFET等其他类型的元件。关于蓄电设备51的充放电电流Ib的正负极性定义为，当蓄电设备51放电时充放电电流Ib为正。关于蓄电设备51的充放电电力Pb＝VbIb，在蓄电设备51放电时也为正。
图10(实施例3)的电力驱动系统具有控制装置60。与图1(实施例1或者2)所示的控制装置40的差异在于，控制装置60从电压检测器53获取蓄电设备51的电压Vb的信息，从电流检测器54获取充放电电流Ib的信息。另外，控制装置60向充放电装置52输出控制信号。在图10中，由一个箭头表示从控制装置60向充放电装置52发送的控制信号。但是，在充放电装置52具有多个元件的情况下，控制信号也可以为多个。通过这样地具有蓄电设备51，能够将电力转换装置20的输出电力Po中的一部分储存至蓄电设备51，在车辆的加速时等利用。
(控制装置的框图)
图11是控制装置60中的控制充放电装置52的部分的框图。控制装置60具有充放电指令修正部61、充放电电力运算部62以及控制运算部63。
对于充放电指令修正部61输入有电力转换装置20的输出电力指令值Poref、修正前的充放电指令值Pbref0。关于输出电力指令值Poref的生成方式，是与实施例1或者2同样的，例如通过图4的(a)或者图9所示的输出电力表而生成。以下，以通过图4的(a)(实施例1)的输出电力表41生成输出电力指令值Poref并向充放电指令修正部61输入的情况为例来进行说明。修正前的充放电指令值Pbref0由与图11的框图相比更加上位的系统生成，并向充放电指令修正部61输入。
在充放电指令修正部61中，根据输出电力指令值Poref和其额定值P1来运算输出电力Po的降低量ΔP。只要处于输出限制区域(Vi＞Vc)，则降低量ΔP就大于0(ΔP＞0)。另一方面，若主机直流电压Vi为阈值Vc以下(Vi≤Vc)，则降低量ΔP为0(ΔP＝0)。在充放电指令修正部61中，将修正前的充放电指令值Pbref0和降低量ΔP相加，运算修正后的充放电指令值Pbref。在修正前的阶段为放电状态，也就是说Pbref0＞0的情况下，通过上述的相加运算而使放电电力进一步变大。
另一方面，在修正前的阶段为充电状态，也就是说修正前的充放电指令值Pbref0小于0(Pbref0＜0)的情况下，只要|Pbref0|≥ΔP(只要充电电力比降低量ΔP大)，则通过上述的相加运算而使充电电力变小。另外，即使在修正前的阶段处于充电状态，但只要|Pbref0|＜ΔP(只要充电电力比降低量ΔP小)，则通过上述的相加运算，充放电装置52使蓄电设备51放电。在任何情况下，充放电指令修正部61在降低电力转换装置20的输出电力时，都以抑制向辅机直流线路34供给的电力的变动的方式修正充放电装置52的充放电指令值。
充放电电力运算部62根据蓄电设备51的电压Vb和充放电电流Ib来运算充放电电力Pb(＝VbIb)。控制运算部63基于充放电电力Pb和修正后的充放电指令值Pbref0来生成对于充放电装置52的控制信号。此外，在本实施例中，为了使基于控制运算部63实现的充放电电力Pb的控制应答足够高，而考虑使充放电电力Pb与修正后的充放电指令值Pbref0一致。
(动作时序图)
图12是表示主机直流电压Vi变动的情况下的各设备的电力变化的时序图。图12中，与图6以及图8相比较，在电力转换装置20的输出电力Po、辅机发电机31的辅机输出电力Pg以及辅机装置33的消耗电力Pa的基础上，追加表示了蓄电设备51的充放电电力Pb。图13是从图10中仅提取与图12相关的设备并由箭头定义上述的各电力的图。
图13表示电动车辆的制动时的电力的流动，是电力转换装置20能够输出的电力。另外，如图12那样，辅机装置33的消耗电力Pa是固定的，比输出电力Po大。而且，图11所示的修正前的充放电指令值Pbref0为零，在不进行电力转换装置20的输出电力降低的情况下，充放电装置52不充电也不放电。图13中，忽略充放电装置52的损失，将从充放电装置52向辅机直流线路34输出的电力设为充放电电力Pb。如图13所示，若成立Pa＝Po+Pg+Pb的关系而电力实现平衡，则辅机直流电压Vo不会变化。
图12中，在主机直流电压Vi为阈值Vc以下(Vi≤Vc)的期间内，不进行电力转换装置20的输出电力降低，输出电力Po控制为额定值P1。另外，根据上述的前提条件，充放电电力Pb控制为零。若总结以上内容，则成立Po＝P1，Pb＝0。此时，上述的与电力平衡相关的式子成为Pa＝P1+Pg。由于如图12那样地Pa＞P1，所以辅机发电机31输出该差量，也就是说通过设为Pg＝Pa－P1来维持电力平衡，将辅机直流电压Vo保持为固定。
若成为主机直流电压Vi大于阈值Vc、即Vi＞Vc(输出降低区域)，则依照图4的(a)的输出电力指令表41而使输出电力指令值Poref降低，由此如图12那样地输出电力Po逐渐减少。输出电力Po的降低量ΔP逐渐增大。由于如上述那样地Pbref0＝0，所以图11的充放电指令修正部61将修正后的充放电指令值Pbref0设为降低量ΔP。因此，如图12那样地充放电电力Pb逐渐增大。
若总结以上内容，成立Po＝P1－ΔP，Pb＝ΔP。若将其代入电力平衡的关系式，则不依赖ΔP而成为Pg＝Pa－P1。也就是说，辅机发电机31不使辅机输出电力Pg从Pa－P1变化，维持电力平衡，辅机直流电压Vo和向辅机装置33供给的电力保持为固定。若主机直流电压Vi成为最大值V2(Vi＝V2)，则输出电力Po控制为下限值P2(Po＝P2)，成为ΔP＝P1－P2。另外，成为Pb＝ΔP＝P1－P2。关于主机直流电压Vi从最大值V2向最小值V1逐渐减少的期间，各电力以相同要领变化。省略详细说明。
在实施例1中表示了如下构成：相对于电力转换装置20的输出降低，辅机发电机31使输出增大来对其补充，向辅机装置33供给固定的电力。但是考虑到如下问题：在主机直流电压Vi激烈变化的情况下，无法追随辅机发电机31的控制，辅机直流电压Vo会临时减少。虽然也考虑到在辅机直流线路34上连接大容量的平滑电容器的方法，但根据平滑电容器会导致系统大型化和高成本化。相对于此，在实施例3中，替代辅机发电机31、蓄电设备51和充放电装置52补充电力转换装置20的输出降低。因此蓄电设备51的电力密度逐年提高，所以与辅机发电机31相比能够高速地控制输出。由此，即使在主机直流电压Vi激烈变化的情况下，也能够将辅机直流电压Vo控制为固定。
(翻斗卡车外观)
作为与所有实施例共通的构成，使用图14来说明翻斗卡车的基本构成。翻斗卡车在车架1上搭载有用于装载土砂等的货箱5，两者通过抬升液压缸6而连结。另外，在车架1上，经由未图示的机构部件而连接有前轮2、后轮3、燃料箱9等。在后轮3的旋转轴部，收纳有用于驱动后轮3的行驶电机10、和调整后轮3的转速的减速机。在车架1上还安装有能够供操作员步行的甲板。在甲板上搭载有用于为了进行翻斗卡车的操作而供操作员搭乘的驾驶舱4、收纳有各种电力设备的控制柜8、以及用于将剩余能量作为热量而散热的多个网格箱7。图1和图10所示的电力消耗装置15的电阻收纳于网格箱7。另外，在图14中由前轮2遮挡的部分，搭载有发动机以及主要作为行驶电机用电力源的主机发电机、主要作为辅机类用电力源的辅机发电机、以及主要作为液压设备用液压源的未图示的主泵等。
接着，说明操作员的翻斗卡车的操作方法。在驾驶舱4内设置有未图示的加速踏板、制动踏板、抬升踏板以及操作杆。另外，操作员通过驾驶舱4内的加速踏板的踏入量以及制动踏板的踏入量，能够控制翻斗卡车的加速力、制动力。而且，操作员通过使操作杆向左右旋转而进行基于液压驱动的操舵操作，通过踏入抬升踏板而进行基于液压驱动的卸载操作，但由于在本发明中，卸载操作的系统是跟以往同样的，所以不进行详细说明。
以上，详细说明了本发明的实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离技术方式所记载的本发明的精神的范围内，能够进行各种设计变更。例如，上述的实施方式为了容易理解本发明而进行了详细说明，但不限定于必须具有所说明的全部构成。另外，能够将某一实施方式的构成的一部分与其他实施方式的构成置换，另外，也能够向某一实施方式的构成增加其他实施方式的构成。而且，针对各实施方式的构成的一部分，能够进行其他构成的追加、削除、置换。
附图标记说明
1 车架
2 前轮
3 后轮
4 驾驶舱
5 货箱
6 抬升液压缸
7 网格箱
8 控制柜
9 燃料箱
10 行驶电机
11 发动机
12 主机发电机(第一发电机)
13 逆变器(第一逆变器)
14 主机整流电路(第一整流电路)
15 电力消耗装置
16 主机直流线路(第一直流线路)
17、35、53 电压检测器
20 电力转换装置
21 逆变器(第二逆变器)
22、26 电容器
23 变压器
24 整流电路(第三整流电路)
25 扼流线圈
27 温度检测器
31 辅机发电机(第二发电机)
32 辅机整流电路(第二整流电路)
33 辅机装置
34 辅机直流线路(第二直流线路)
36、54 电流检测器
40、60 控制装置
41、46 输出电力表
42 输出电力运算部
43、63 控制运算部
44 偏移量运算部
45 驱动信号生成部
47 阈值表
48 输出下限值表
51 蓄电设备
52 充放电装置
61 充放电指令修正部
62 充放电电力运算部
M1～M4 转换元件
Vi 主机直流电压
Vc 阈值
P1 额定值(额定电力)
P2 下限值
Poref 输出电力指令值
θ 偏移量。

Claims (6)

1.一种电动车辆，具有：发动机；由该发动机驱动的第一发电机；与该第一发电机的输出连接的第一整流电路；该第一整流电路的直流输出所输入的第一直流线路；与该第一直流线路连接的行驶电机；对所述第一直流线路的电压进行转换的电力转换装置；由该电力转换装置转换电压后的直流输出所输入的第二直流线路；与该第二直流线路连接的辅机装置；和控制所述电力转换装置的控制装置，所述电动车辆的特征在于，
所述控制装置在所述第一直流线路的电压为第一阈值以下时将所述电力转换装置的输出电力控制为预先设定的额定电力，并在所述第一直流线路的电压大于所述第一阈值时进行使所述电力转换装置的输出电力小于所述额定电力的控制。
2.根据权利要求1所述的电动车辆，其特征在于，
所述控制装置在所述第一直流线路的电压大于所述第一阈值的区域中，进行与所述第一直流线路的电压变大相应地缩小所述电力转换装置的输出电力的控制。
3.根据权利要求1所述的电动车辆，其特征在于，
所述控制装置检测所述电力转换装置的温度，并进行与该电力转换装置的温度变高相应地缩小所述第一阈值的控制。
4.根据权利要求1所述的电动车辆，其特征在于，
所述控制装置在使所述电力转换装置的输出电力小于所述额定电力时，控制所述辅机装置的消耗电力，进行使所述辅机装置的消耗电力仅以所述电力转换装置的输出电力变小的量而缩小的控制。
5.根据权利要求1所述的电动车辆，其特征在于，
具有由所述发动机驱动的第二发电机、和与该第二发电机的输出连接的第二整流电路，
该第二整流电路的直流输出向所述第二直流线路输入，
所述控制装置控制所述第二发电机的输出，在使所述电力转换装置的输出电力小于所述额定电力时，进行使所述第二发电机的输出仅以所述电力转换装置的输出电力变小的量而增大的控制。
6.根据权利要求1所述的电动车辆，其特征在于，
具有与所述第二直流线路连接的充放电装置、和由该充放电装置充放电的蓄电设备，
所述控制装置控制基于所述充放电装置产生的所述蓄电设备的充放电电力，在使所述电力转换装置的输出电力小于所述额定电力时，进行使所述充放电装置的放电电力仅以所述电力转换装置的输出电力变小的量而增大的控制。
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